铲运机的设计

铲运机的设计

挖掘机是集装载、运输、研磨于一体的采矿巷道。其工作装置则是铲运机工作的关键部件。我国铲运机研制工作起步较晚,起点较低,虽然发展较快,已初步形成一定生产规模,研制水平有了很大的进步,但与国外相比还有很大的差距。产品技术水平低,可靠性不高,使用寿命较短,故障率高。因此,需要有新的、好的设计方法应用到铲运机的设计中。虚拟样机技术是一种基于虚拟样机的数字化设计方法,是各领域CAx/DFx技术的发展和延伸。该技术以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心,加上成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术,将散的零部件设计和分析技术集成在一起,提供了一个全新研发机械产品的设计方法。采用虚拟样机设计技术可大大缩短研制周期,提高设计成功率,减少加工和试验费用。目前,在国内外,虚拟样机技术已经大量应用于飞机、汽车、工程机械领域。铲运机工作装置是由多杆组成的复杂运动机构,对其运动过程进行正确的分析一直是设计铲运机工作装置的关键。本文采用虚拟样机技术,以RecurDyn和SolidEdge为主,通过建立铲运机工作装置数字模型和三维模型,利用计算机模拟的方法,进行运动仿真分析,研究铲运机正转六杆机构工作装置的运动过程,并根据设计要求,对系统进行优化,为其工作装置的设计及性能改进提供依据。1仿真分析过程虚拟样机的设计思想为:产品设计从客户需求入手,进行任务分解,然后进行初步设计,最后详细设计获得数字化模型供虚拟样机分析,虚拟样机以此三维模型建立仿真模型、进行各种领域仿真,并在样机的校核、检验和确认的思路下进行评估、测试和优化,以获得满意的虚拟样机,再以此指导产品的试制,最终完成对产品的研制。下面将根据虚拟样机的设计思想,对铲运机正转六连杆工作装置进行设计研究。首先对铲运机工作装置工作原理和设计要求进行分析,了解设计的核心和关键部分;然后进行概念设计和初步设计;建立模型;进行运动仿真分析,包括设计所需要满足的关键要求;根据分析,对设计进行优化改良;改进模型;再进行运动仿真分析,一直循环到满足设计要求为止。如图1所示。2挖掘机操作装置的建模和运动分析1.1维建模和模型建立铲运机工作装置设计要求:①动臂提升过程中,铲斗保持平移运动,以免斗中物料撒落,举升时铲斗摆动角度应小于10°;②满足自动放平性;③工作机构各构件之间不允许发生运动干涉,传动角符合限制范围;④要求卸载高度不小于1300mm,卸载距离不小于1400mm,保证动臂在任何位置都能卸净铲斗中的物料;⑤工作装置的极限工作空间、最大卸料高度及最大卸料距离等应满足整机性能要求;⑥保证机构在各个工况下都能正常工作,不得出现“死点”、“自锁”和“机构撕裂”等机构运动被破坏的现象。初步设计使用解析法作图进行坐标求解。根据斗容要求,设计出铲斗的外形以及铰接点B和C的位置。然后根据最大卸载高度和卸载距离可以初步确定铰接点B′和C″的位置,做B点和B′点的中垂线,动臂与机架的铰接点A就位于该中垂线上,为使工作装置工作平稳,可靠性好,应使A点尽可能低,且位于车轮的右上方。取A点为零点,B点坐标为(2085,-862),C点为(1605,-648)。动臂与摇臂铰接点为E,一般E点位于AB连线的上方,过A点的水平线下方,并在AB的垂直平分线左侧尽量靠近铲装工况的铲斗处。E点位置的好坏,对连杆机构的传动比、倍力系数、连杆机构的布置及转斗油缸的长度等都有很大的影响。取E点坐标为(1577,-401)。确定动臂各铰接点位置尺寸后,就可以进一步确定摇杆与连杆铰接点D的位置。为了防止为防止机构出现“死点”、“自锁”或“撕裂”,连杆与摇杆之间的夹角应为10-170°之间。且要保证,在铲装工况时,C″E+DE>C″D(1)卸载工况时,C″D″+D″E′>C″E′(2)转斗油缸与机架的铰接点F可根据铲斗在四个工况下的C点的位置来确定,由文献可知,F点为C′C″和CC″的垂直平分线的交点,取D点坐标为(1012.5,-172.5),F点坐标为(-500,460.5)。整体求解如图2所示。算出工作装置各铰接点位置以及结构尺寸后,就可以在SolidEdge建立三维模型。把SolidEdge建好的装配模型,以Parasolid格式输出,导入到RecurDyn的仿真环境中。根据工作装置的运动特性,在各铰接点处添加回转副(Revolute),在举升油缸和转斗油缸的活塞杆和缸筒间分别添加滑动副(Translational),其完整的工作装置模型如图3所示。2.2转斗启闭机液压仿真工作装置主要通过举升油缸和转斗油缸的联合运动,实现工作装置的各工况作业过程。油缸平动,驱动动臂、摇杆、连杆、铲斗实现相应的动作,实现各工况的运动。现在将主要针对插入、铲装、举升和卸料4种工况进行分析和模拟,在RecurDyn中,建立转斗油缸和举升油缸的运动函数,控制工作装置的运动。设定工作装置运动一个循环总体时间为16s,默认初始位置为收斗工况。0-2s,转斗油缸伸展,铲斗翻转,呈插入工况;2-4s,转斗油缸伸展,收斗,铲装物料;4-9s,转斗油缸不动,举升油缸伸展,动臂举升;9-11s,举升油缸不动,转斗油缸伸展,铲斗卸料;11-16s,转斗油缸不动,举升油缸收缩,动臂下放,铲斗又自动呈插入工况。设定转斗油缸行程为410mm,举升油缸行程770mm,转斗油缸的运动函数为IF(time-2:-205,0,IF(time-4:205,0,IF(time-9:0,0,IF(time-11:-385,0,0))))。举升油缸运动函数为IF(time-4:0,0,IF(time-9:135.6,0,IF(time-11:0,0,-135.6)))。IF语句的涵义指:当前时间小于“time”后的设定值时,机构以冒号后第一个数进行匀速运动,时间等于设定值时,以第二个值得速度运动;时间大于设定值时,运行后面的语句。设定好运动函数,进行运动仿真,仿真结束后,对铲斗运动过的角度和铲斗尖X、Y方向的坐标位置进行测量,结果如图4、图5所示。从图5的斗尖运动轨迹图可以看到,工作装置斗尖运动轨迹不是一条封闭曲线,终点位置为向下插入,说明机构不满足自动放平的要求。从图4可以看到,动臂举升时,铲斗运动角度从41.58°增大到46.98°,变化为5.4°,角度变化在10°以内,满足平动性要求。传动角也满足设计要求。但由于不能自动放平,设计仍有缺陷。3优化设计要实现工作装置的功能,需要对各铰接参数进行优化,这里建立了目标函数和约束方程,然后采用MATLAB自带的工具箱进行优化。3.1基于目标的多目标优化设计根据工作装置的设计要求,将铲斗举升平动和自动放平作为目标函数,进行多目标优化。目标函数为F(X)=∑j=12ωjFj(X)F(X)=∑j=12ωjFj(X)(3)式中:F1(X)、F2(X)分别为铲斗举升平动、自动放平的分目标函数;ωj为各目标函数的权重。ω1-ω2=1i+iF(X)=∑i=1k(αi−α2)2F(X)=∑i=1k(αi-α2)2(4)式中,αi为铲斗在整个举升过程中,k个瞬时位置的铲斗对地位置角;α2为举升开始时铲斗对地位置角。其4sx计算要满足自动放平,铲斗由插入工况开始举升,在举升过程中保持转斗油缸长度不变,当动臂转角γi=γ3时,铲斗为卸载工况,则能自动放平。F2(X)=α4-α1-ϕ4+α0(5)式中,α1、α4分别为插入工况和卸载工况铲斗对地位置角;ϕ4为铲斗最高位时卸载角,一般取ϕ4≥45°;α0为插入工况时铲斗前臂与x轴夹角,一般取α0=3°～5°。3.2限制函数连杆系统的约束函数,主要有性能约束函数和边界约束函数。最大加载高度限制函数g1(X)=hx-hmax(6)式中:hx为铲斗在举升过程中,x个瞬时位置的卸载高度;hmax为所要求的铲斗最大卸载高度。最小卸载距离限制函数g2(X)=lx-lmin(7)式中:lx为铲斗在x个瞬时位置的卸载距离;lmin为所要求的铲斗最小卸载距离。拆卸角度约束方程g3(X)=ϕ4-45°(8)传动角约束方程g4(X)=∠B″C″D″-45°(9)式中:10°机构允许的最小传动角。3.3工作装置的传动仿真建立好优化函数的目标和约束函数后,就可以进行优化了,在MATLAB中运用其自带的优化工具箱,编程进行优化。优化后,除A点外,各铰接点坐标位置均有一定变化,优化前后各铰接点坐标位置如下表所示。根据优化后的参数重新建模,计算出各工矿响应部件的工作点位置和角度,建立运动函数。在RecurDyn中进行运动仿真分析,仿真过程与前面第一次仿真相同。函数也采用IF语句,总体模拟时间同样为16秒,工作装置的运动过程也保持相同,但由于各铰接点坐标位置有变化,因此相应的杆长也有变化,优化后转斗油缸行程为444mm,举升油缸行程为635mm。转斗油缸的运动函数为IF(time-2:-222,0,IF(time-4:222,0,IF(time-9:0,0,IF(time-11:-222,0,0)))),举升油缸运动函数为IF(time-4:0,0,IF(time-9:127,0,IF(time-11:0,0,-127)))。再次进行运动仿真,结果如图6、图7所示。如图7所示,优化后工作装置铲斗尖运动轨迹与优化前明显不同,优化后为一封闭曲线,终点位置为插入工况,说明该工作装置能够实现自动放平功能。铲斗最大卸载高度为1300mm,卸载距离1500mm。从图7可以看到,铲斗从4秒,开始举升,举升过程中铲斗运动角度,从0°增大到3°,变化为3°;角度变化在10°以内,满足平动性要求,并且比优化前的结果更好。传动角也满足